不同水氮水平冬小麥干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量效應(yīng)

宋明丹，李正鵬，馮　浩（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

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不同水氮水平冬小麥干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量效應(yīng)

宋明丹1，3，李正鵬1，3，馮浩1，2，3※
（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

摘要：為了闡明灌水施氮對冬小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的影響機(jī)制，通過2012－2014年在關(guān)中平原進(jìn)行的3個灌水水平、4個施氮水平的田間試驗，采用Richards生長曲線對干物質(zhì)積累過程進(jìn)行擬合，定量分析了干物質(zhì)積累過程的動態(tài)特征和產(chǎn)量效應(yīng)。結(jié)果表明灌越冬水和拔節(jié)水均能顯著延長干物質(zhì)積累的總時間，使最大干物質(zhì)量由雨養(yǎng)下的10 831提高到灌兩水條件下的13 813 kg/hm2。氮肥顯著提高了干物質(zhì)積累過程的平均速率和最大速率，縮短了達(dá)到最大速率的時間，使最大干物質(zhì)量由8 001（不施氮）提高到14 112 kg/hm2（施氮210 kg/hm2）。年份主要通過控制進(jìn)入快速生長期和達(dá)到最大速率的時間來影響干物質(zhì)量積累過程。灌水的產(chǎn)量效應(yīng)年際變異較大，在2013和2014年分別通過增加千粒質(zhì)量和每平方米粒數(shù)來影響產(chǎn)量，2013年千粒質(zhì)量由雨養(yǎng)下的35.8提高到灌兩水下的41.7 g，2014年每平方米粒數(shù)由雨養(yǎng)下的13 833增加到灌兩水條件下的15 749粒/m2。氮肥主要是通過增加每平方米粒數(shù)來提高產(chǎn)量，由不施氮下的10 414增大到施氮210 kg/hm2條件下的15 911粒/m2，繼續(xù)增施氮肥對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素影響不大。產(chǎn)量和每平方米粒數(shù)均與干物質(zhì)積累過程的平均速率和最大速率呈顯著正相關(guān)性，表明在該研究地區(qū)小麥產(chǎn)量主要受氮肥限制。該研究為干旱半干旱地區(qū)合理調(diào)控水肥措施，實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水分；氮；作物；Richards方程；產(chǎn)量構(gòu)成要素；水肥互作

宋明丹，李正鵬，馮浩. 不同水氮水平冬小麥干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（2）：119－126. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018http://www.tcsae.org

Song Mingdan， Li Zhengpeng， Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 119－126. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018http://www.tcsae.org

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0　引　言

作物產(chǎn)量的形成是由干物質(zhì)積累及分配所決定的，干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。氣候、土壤、田間管理措施等自然和人為因素對作物產(chǎn)量的影響，是通過影響作物的干物質(zhì)積累過程來實現(xiàn)的。對于作物干物質(zhì)積累過程的描述，主要有兩種方法：一種是機(jī)理模型，通過光合和呼吸作用的生理機(jī)制進(jìn)行干物質(zhì)量的模擬（解釋性），可移植性強(qiáng)，但模型復(fù)雜，參數(shù)變量較多；另一種是經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄟ^統(tǒng)計回歸進(jìn)行干物質(zhì)量的模擬（描述性），簡單易操作，針對性和應(yīng)用性強(qiáng)，但其解釋性較弱[1]。

在描述干物質(zhì)積累的經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?，Logistic[2]和Richards[3]生長方程具有一定的生物學(xué)意義，得到了廣泛的應(yīng)用。王信理[4]研究表明Logistic生長方程可以較好地描述干物質(zhì)積累的動態(tài)過程。趙姣等[5]、肖強(qiáng)等[6]分別用Logistic方程描述了冬小麥、夏玉米的干物質(zhì)累積過程，并利用其推導(dǎo)的特征參數(shù)對累積過程進(jìn)行了定量分析。有學(xué)者指出Richards方程比Logistic方程的可塑性強(qiáng)，更適宜于描述作物生長的過程[7]。李國強(qiáng)等[8]、李艷大等[9]、李向嶺等[10]分別用Richards方程描述了小麥、水稻、玉米的干物質(zhì)積累動態(tài)，并對其過程進(jìn)行了定量分析。對于冬小麥干物質(zhì)積累的定量描述，目前主要集中在品種[11]、密度[8，11]、灌水[12]和施氮[8]等單因素影響分析上，例如Villegas等[12]分析了雨養(yǎng)和灌溉條件下的干物質(zhì)積累過程，趙姣等[5]和李國強(qiáng)等[8]分析了不同施氮量條件下的干物質(zhì)積累過程。

作物的生長過程受多種因素影響，其中水分和氮素是影響作物生長及產(chǎn)量的兩個主要限制因子[13]。關(guān)中平原是陜西省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，其中小麥產(chǎn)量占了全省的80%以上。關(guān)中平原屬于半濕潤易旱區(qū)，大部分降水分布于7－9月，小麥生長季（10月－次年5月）降水相對較少，降水的分布不均加劇了干旱對小麥生長的影響。氮素是小麥葉綠素和籽粒蛋白質(zhì)的重要組成元素，通過施用氮肥能彌補(bǔ)土壤中可利用礦質(zhì)氮的不足，但過量的氮肥投入則會污染空氣、水體和土壤，引發(fā)一系列的環(huán)境問題[14]。在整個小麥生產(chǎn)系統(tǒng)中，水分的缺乏會抑制小麥對氮素的吸收，而氮素的缺乏會造成植株營養(yǎng)不良，反過來影響水分的利用從而導(dǎo)致減產(chǎn)，水分和氮肥在作物生長過程中既相互促進(jìn)又相互制約[15-16]。干物質(zhì)積累是一個隨時間變化的連續(xù)過程，其與產(chǎn)量形成密切相關(guān)，而且干物質(zhì)積累在不同年份和研究地點間差異較大，目前在從干物質(zhì)積累與產(chǎn)量關(guān)系的角度分析水肥因子對陜西關(guān)中平原地區(qū)小麥生長過程和產(chǎn)量影響的研究較少。因此本研究通過設(shè)置不同灌水施氮的田間試驗，采用Richards模型對冬小麥的干物質(zhì)積累過程進(jìn)行擬合，根據(jù)推導(dǎo)出的特征量對小麥的生長過程進(jìn)行定量分析，同時分析產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素與干物質(zhì)積累過程的關(guān)系，闡明水氮管理對干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的影響機(jī)制，為合理調(diào)控水肥措施，實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地點及試驗設(shè)計

本試驗于2012－2014年在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室灌溉試驗站（108°05′E，34°24′N）內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)小麥生長季為10月－次年6月，生長季內(nèi)的月平均最高溫為15.7℃，月平均最低溫為5.3℃，小麥生長季內(nèi)太陽總輻射量3 206 MJ，降水量296 mm。試驗地土壤為塿土，土壤中砂粉黏粒比例為8∶74∶18。試驗前0～20 cm耕層含有機(jī)質(zhì)11.17 g/kg、全氮0.95 g/kg、速效磷13.67 mg/kg和速效鉀183.20 mg/kg。

本試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計，灌水為主區(qū)，施氮為副區(qū)，小區(qū)長6 m寬3 m，設(shè)置三次重復(fù)。其中灌水處理設(shè)置3個水平：I0（完全雨養(yǎng)）、I1（拔節(jié)期灌水46 mm）、I2（分別在越冬期和拔節(jié)期灌水46 mm）。施氮設(shè)置4個水平：N0（不施氮）、N1（施氮105 kg/hm2）、N2（施氮210 kg/hm2）、N3（施氮315 kg/hm2）。所有氮肥按基追比7：3施入土壤，追肥在拔節(jié)期進(jìn)行，基肥為磷酸二銨，追肥為尿素。所有小區(qū)施入足量的磷肥和鉀肥。小麥品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N小偃22，10月中上旬播種，行距20 cm，播量為112.5 kg/hm2。在作物生長階段及時除草，防治病蟲害，其他栽培管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣一致。

1.2測定項目及方法

在2012－2013年和2013－2014年小麥生長期間，在分蘗期、越冬期、返青期、拔節(jié)開始、拔節(jié)中期、抽穗、灌漿開始、灌漿中后期、收獲期共9個時期在每個小區(qū)選取有代表性的10株小麥，在105℃下殺青30 min，后在70℃下烘干至質(zhì)量不變，計算各時期小麥地上部生物量。下文中提到的2013年小麥均指2012－2013年，2014年小麥均指2013－2014年。

所用的逐日氣象數(shù)據(jù)來自于距試驗地100m的楊凌氣象觀測站。每個采樣時期的積溫為

式中i為小麥播后天數(shù)，TMIN，TMAX分別為日最高溫和日最低溫，Tb為小麥生長的最低溫度。

小麥生長的最低溫度在不同品種、不同組織器官，甚至是不同的生長階段都存在變異[17]。Porter和Gawith[18]結(jié)合前人的研究成果匯總分析了溫度對小麥生長和發(fā)育的影響，結(jié)果表明植株生長的最低溫度在0～5℃之間變化。本研究參考Wang等[19]和Johnen等[20]，將小麥生長的最低溫度Tb設(shè)為0℃。

在成熟期收獲小區(qū)中間1 m2小麥，測定穗數(shù)和實際產(chǎn)量，從1 m2小麥中取出5株子樣進(jìn)行考種，測定千粒質(zhì)量和每穗粒數(shù)，計算理論產(chǎn)量。本研究中產(chǎn)量采用理論產(chǎn)量。

1.3Richcards方程簡介

Richards方程是一個四參數(shù)的非線性方程，包括了一系列的S形曲線。本研究中自變量為積溫，因變量為干物質(zhì)量，方程的基本形式為

式中A、b、c、d均為參數(shù)，其中A為干物質(zhì)積累上限。對方程（2）求導(dǎo)得到干物質(zhì)積累的速率方程（growth rate，GR）為

根據(jù)干物質(zhì)積累速率方程，可以推導(dǎo)出干物質(zhì)積累過程的一些特征量，對公式（3）求導(dǎo)并令其等于零，可以求得達(dá)到最大生長速率時的積溫，記做

同時求得最大生長速率為

對公式（3）在干物質(zhì)在區(qū)間0到A上積分再平均即可得到平均生長速率

Darroch和Baker[21]指出當(dāng)干物質(zhì)量達(dá)到最大生物量的95%，即0.95A時認(rèn)為生長停止，解方程得到生長停止時的積溫

對公式（3）求二階導(dǎo)令其等于零，可以求得干物質(zhì)進(jìn)入快速生長期的積溫為

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本研究中獲得的不同時期冬小麥的生長積溫和干物質(zhì)量數(shù)據(jù)采用Curve Expert 1.3軟件進(jìn)行Richards曲線擬合，然后利用matlab7.0 軟件求解曲線的特征量xinf、GRmax、GRavg、xmax、x1。Keuls和Garretsen[22]指出由函數(shù)方程推導(dǎo)出的特征量進(jìn)行方差分析時，考慮參數(shù)間相關(guān)性的多變量方差分析（multivariate analysis of variance，MANOVA）更適合。產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的方差分析采用ANOVA（analysis of variance）方法，多重比較均采用LSD（least significant difference）法。統(tǒng)計分析過程采用SPSS20.0軟件完成。

2　結(jié)果與分析

2.1水氮管理對小麥干物質(zhì)積累動態(tài)過程的影響

用Richards曲線擬合的決定系數(shù)均在0.98以上，表明此方程可以準(zhǔn)確地描述干物質(zhì)隨積溫的變化過程。由表1可以看出無論采用ANOVA還是MANOVA，灌水和施氮的交互作用對各參數(shù)均沒有顯著影響，而且參數(shù)b、c不受灌水、施氮、年份的影響。在ANOVA分析中，灌水、施氮、年份影響顯著的參數(shù)，在MANOVA分析下也顯著，而且P值更低，表明在未考慮參數(shù)相關(guān)性的條件下處理因素的效力被低估。MANOVA分析表明灌水顯著影響參數(shù)A、xmax，說明灌水主要通過影響干物質(zhì)量積累的總時間來影響最終的干物質(zhì)量。施氮顯著影響參數(shù)A、xinf、GRmax、GRavg，施氮主要通過影響干物質(zhì)積累速率和控制達(dá)到最大生長速率的時間來影響最終的干物質(zhì)量。年份顯著影響了參數(shù)d、xinf、x1，表明年份主要通過影響進(jìn)入快速生長期和達(dá)到最大生長速率的時間來影響最終的干物質(zhì)量。

表1　冬小麥干物質(zhì)積累的Richard曲線參數(shù)和特征量的方差分析（P值）Table 1　Significant levels （P-value） of effect of irrigation， nitrogen and years on fitting parameters and derived characteristic parameters from Richards function describing biomass accumulation by ANOVA and MANOVA method

灌水水平、施氮水平和年份之間的多重比較結(jié)果見表2。在I0、I1和I2灌水水平下生長停止時所需的積溫分別為1 604、1 761和1 936℃·d，小麥最大干物質(zhì)量分別為10 831、11 977和13 812 kg/hm2。這表明灌越冬水和拔節(jié)水均能顯著延長小麥干物質(zhì)量積累的時間，從而提高干物質(zhì)量。由圖1a可以看出灌越冬水和拔節(jié)水（I2）處理下的干物質(zhì)量在整個生長過程中都明顯大于另外兩個灌水處理，灌拔節(jié)水（I1）處理在生長后期才明顯大于不灌水（I0）處理，表明灌水對干物質(zhì)積累的影響與灌水時間有明顯關(guān)系。

在N0、N1、N2和N3水平下干物質(zhì)積累上限分別為8 001、12 635、14 112和14 078 kg/hm2其中N2和N3沒有顯著差異。達(dá)到最大積累速率所需的積溫，僅N1 （1 292℃·d）與N2（1175℃·d）有顯著差異，這表明在適量的氮素（210 kg/hm2）供應(yīng)下小麥可以較快達(dá)到干物質(zhì)積累的最大速率。在4個施氮水平下干物質(zhì)積累的最大速率分別為9.26（N0）、17.15（N1）、17.13（N2）和17.40（N3）kg/℃，平均速率分別為6.01、10.95、11.35 和11.29 kg/℃，其中N1、N2、N3水平下均沒有顯著差異，表明在本試驗條件下施氮105 kg/hm2就可以達(dá)到較高的干物質(zhì)積累速率（表2）。由圖1b可以看出施氮影響了干物質(zhì)積累的整個生長過程，其中N2與N3生長曲線幾乎重合，表明在本研究中施氮210 kg/hm2及以上，干物質(zhì)量的積累不再發(fā)生顯著變化。

表2　不同灌水、施氮水平和年份下干物質(zhì)積累曲線參數(shù)和特征量Table 2　Fitting parameters and characteristic parameters describing biomass accumulation process under different irrigation and nitrogen regimes

圖1　不同灌水水平和施氮水平下的干物質(zhì)積累曲線Fig.1　Biomass accumulation curves according to accumulated temperature with different irrigation amount and different nitrogen application注：I0、I1、I2 分別為不灌水、灌拔節(jié)水46mm、灌越冬水和拔節(jié)水各46mm； N0、N1、N2、N3 分別表示施氮0、105、210、315 kg hm2。Note: I0， I1， I2 represents rainfed， irrigated 46 mm at jointing， irrigated 46mm at wintering and jointing， respectively; N0， N1， N2， N3 represents applied nitrogen rate 0， 105， 210 and 315 kg hm2.

在2013和2014年條件下達(dá)到最大積累速率所需的積溫分別為1 179和1 305℃·d，進(jìn)入快速生長期所需積溫分別為913和1 060℃·d（表2，圖2a）。由圖2b可知2013季小麥前期雨水較充足，11月份降水106 mm，為第2年小麥返青后的生長創(chuàng)造了適宜的水分條件，使2013年進(jìn)入快速生長期的時間提前。2014年4月份的總降水比2013年相應(yīng)時期多156.4 mm，使得2014年小麥干物質(zhì)量積累在后期超過了2013年。2013和2014年最大干物質(zhì)積累量分別為11 897和12 516 kg/hm2，差異不顯著。

圖2　2013年和2014年冬小麥干物質(zhì)量累積曲線和月降水量分布Fig.2　Biomass accumulation curves according to accumulated temperature and monthly precipitation distribution in 2013 and 2014 year

2.2水氮管理對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

灌水、施氮對干物質(zhì)積累過程的影響，必然影響后期產(chǎn)量的形成。產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的方差分析見表3。產(chǎn)量均隨著灌水次數(shù)的增加而增大，不同灌水水平下，2014年小麥產(chǎn)量均比2013年要高。這可能是由于2014 年3－4月份降水較多（圖2b），此時正是小麥的需水關(guān)鍵期，充沛的雨水有利于小麥快速生長，使得2014年各灌水水平下產(chǎn)量均較高，同時，大量的降水使得2014年灌水的產(chǎn)量效應(yīng)不顯著。灌水對產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響在兩年表現(xiàn)不同，在2013年灌水對千粒質(zhì)量影響顯著，由不灌水條件下的35.8 g增加到灌兩水條件下的41.7 g，而2014年灌水對千粒質(zhì)量影響不顯著，各灌水水平下千粒質(zhì)量均較高。對每平米粒數(shù)，2014年灌水對其影響顯著，由13 833增加到15 749粒，而2013年灌水對其影響不顯著。

表3　2013和2014年小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的方差分析Table 3　Variance analysis of yield and yield components in 2013 and 2014 year

氮肥對產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響在兩年表現(xiàn)一致，均對產(chǎn)量和每平方米粒數(shù)影響顯著，而對千粒質(zhì)量影響不顯著。產(chǎn)量、每平方米粒數(shù)均隨著施氮量的增加而增大，綜合兩年結(jié)果，產(chǎn)量由不施氮條件下的4.42 t/hm2提高到施氮210 kg/hm2下的6.91 t/hm2，每平方米粒數(shù)由10 414提高到15 911粒/m2，繼續(xù)增施氮肥對產(chǎn)量和每平方米粒數(shù)均沒有顯著影響，表明施氮210 kg/hm2在該地區(qū)已經(jīng)能夠滿足作物的生長需求，達(dá)到較高的生產(chǎn)效益。灌水和施氮的交互作用在兩年試驗條件下對產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素均沒有顯著影響。

2.3干物質(zhì)積累與產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的關(guān)系

由表4可以看出，產(chǎn)量、每平方米粒數(shù)與干物質(zhì)積累速度（GRmax和GRavg）呈顯著正相關(guān)，與干物質(zhì)積累的階段積溫（xinf、xmax和x1）相關(guān)性不大，而千粒質(zhì)量與進(jìn)入快速生長期所需的積溫（x1）呈顯著正相關(guān)。產(chǎn)量與每平方米粒數(shù)在0.01水平上顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量在0.05水平上顯著正相關(guān)，每平方米粒數(shù)和千粒質(zhì)量之間的相關(guān)性不顯著，表明產(chǎn)量很大程度上決定于每平方米粒數(shù)。干物質(zhì)積累速率通過影響每平方米粒數(shù)來影響最終產(chǎn)量形成。而干物質(zhì)積累速率又主要受氮肥影響，表明在該研究地區(qū)氮素供應(yīng)是小麥產(chǎn)量提高的限制因素。

表4　Richards特征參數(shù)與產(chǎn)量的皮爾森相關(guān)Table 4　Pearson correlation coefficients between yield components and characteristic parameters from Richards function

3　討　論

3.1水分對冬小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

水分是維持生命活動的必要物質(zhì)，作物生長所需的水分來源于自然降水、土壤底墑和補(bǔ)充灌水這3個途徑，補(bǔ)充灌水能在一定程度上緩解干旱對作物生長產(chǎn)生的不利影響，延長葉片的持綠時間，增加干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。大量研究結(jié)果表明灌水可使作物的葉綠素含量下降速度變慢[23-24]，增加葉片中的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶含量[25]，使葉片功能性時間延長，本研究也證明了這一點。灌水顯著延長了干物質(zhì)積累的總時間（xmax），提高了最終的干物質(zhì)量。Villegas等[12]和趙姣等[5]的結(jié)果表明灌水能顯著縮短進(jìn)入快速生長（x1）和達(dá)到最大速率的時間（xinf），而在本研究中灌水對其影響不顯著，而年份對其影響顯著。究其原因可能是：1）小麥生長早期降水較多抵消了越冬灌水效應(yīng)。例如2013季11月份降水較多（圖2b），為小麥返青生長創(chuàng)造了適宜的條件，縮短了達(dá)到xinf和x1的時間（表2）；2）越冬灌水量太小，致使灌水效應(yīng)不明顯。例如2014季小麥生長前期干旱，越冬灌水46 mm并未對干物質(zhì)積累產(chǎn)生顯著影響，致使2014季小麥的xinf和x1值均顯著大于2013季。綜上，小麥生長早期降水較多和越冬灌水水平較低導(dǎo)致灌水處理對xinf和x1沒有顯著影響，而年份對其影響顯著。Villegas等[12]的研究表明灌水對干物質(zhì)積累的平均速率（GRavg）有顯著影響，而本研究中灌水和年份對該指標(biāo)均無顯著影響，這可能和兩年總降水量較多有關(guān)。Shimshi[26]指出當(dāng)降水量大于200 mm時，小麥生長主要受氮素供應(yīng)的限制，試驗?zāi)攴菪←溂窘邓謩e為334.3和286.8 mm，均屬于豐水年型，導(dǎo)致補(bǔ)充灌水對GRavg影響不顯著。灌水對產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響在兩年表現(xiàn)不同，2013季灌水對千粒質(zhì)量影響顯著[27-29]，對每平方米粒數(shù)影響不顯著。這可能是由于上一年11月份降水較多，在粒數(shù)的決定期（返青期）水分充足，致使不同灌水處理下每平方米粒數(shù)沒有顯著差異；而4月份（孕穗-開花期）降水較少，灌水顯著影響了小麥的灌漿過程，使不同灌水處理的千粒質(zhì)量有顯著差異。2014季降水分布與其相反，導(dǎo)致不同灌水處理每平方米粒數(shù)有顯著差異，而千粒質(zhì)量無顯著差異。

3.2氮肥對冬小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

氮素是小麥葉綠素的重要組成元素，氮素的供應(yīng)直接影響了小麥光合產(chǎn)物的形成，作物的氮素主要來源于土壤氮的礦化和氮肥投入。本研究中氮肥能顯著提高干物質(zhì)積累的最大速率（GRmax）和平均速率（GRavg），縮短達(dá)到最大生長速率的時間（xinf），這與李國強(qiáng)[8]的研究結(jié)果一致。而趙姣[5]的結(jié)果表明總施氮量與干物質(zhì)積累速率的相關(guān)性不顯著，這可能與其試驗地點的初始肥力和氮肥的水平設(shè)置較高有關(guān)。本研究中氮肥對產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響在兩年表現(xiàn)一致，均顯著提高了每平方米粒數(shù)，對千粒質(zhì)量影響不顯著，這與趙雪飛等[27]、吳立峰[28]和Karam等[29]的研究結(jié)果一致。土壤氮素供應(yīng)能力有限，所以外源氮肥投入對整個小麥的生長都產(chǎn)生顯著的影響，氮肥同時顯著提高了粒數(shù)（庫）和干物質(zhì)量（源）的大小，但干物質(zhì)分配到每個籽粒中的質(zhì)量不一定增大，導(dǎo)致氮肥對千粒質(zhì)量影響不顯著。

3.3水肥交互作用對冬小麥干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響

水肥之間存在交互作用已經(jīng)成為一個不爭的事實，其主要與土壤水分狀況、灌水水平、肥料用量、土壤肥力和作物的需水需肥規(guī)律有關(guān)[30]。由于大田試驗中補(bǔ)充灌水量對作物的影響受土壤底墑和生育期降水的影響，致使在不同地區(qū)不同年份條件下灌水施氮的交互作用表現(xiàn)不一[31]。例如，王丹等[32]采用逐步回歸的方法表明灌水施氮的交互項在回歸模型中顯著。而張玉銘等[33]采用同樣的方法表明灌水施氮交互項在回歸模型中不顯著。李玉山[34]采用方差分析方法表明灌水和施氮的交互作用對冬小麥的產(chǎn)量影響不顯著。本研究結(jié)果表明灌水施氮的交互作用對干物質(zhì)積累過程和產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響均不顯著，這可能是由于試驗?zāi)攴萁邓^充沛，灌水水平間差異較小所導(dǎo)致。

4　結(jié)　論

本研究主要探討了在關(guān)中平原的氣候土壤條件下灌水施氮對冬小麥干物質(zhì)積累過程和產(chǎn)量的影響。所得主要結(jié)論如下：

1）灌越冬水和拔節(jié)水均能顯著延長小麥干物質(zhì)量積累的時間，使小麥干物質(zhì)量由不灌水條件下的10 831提高到灌兩水條件下的13 813 kg/hm2。灌水的產(chǎn)量效應(yīng)受年內(nèi)降水分布的影響，在2013和2014季灌水分別通過增加千粒質(zhì)量和每平方米粒數(shù)來提高產(chǎn)量。年份主要通過影響達(dá)到最大生長速率和進(jìn)入快速生長期的時間來影響冬小麥干物質(zhì)積累過程。

2）施氮能顯著提高干物質(zhì)積累的最大速率和平均速率，縮短達(dá)到最大生長速率的時間。施氮在0～105 kg/hm2時，干物質(zhì)積累的平均速率由6.01提高到9.26 kg/℃，最大速率由10.95提高到17.15 kg/℃，繼續(xù)施氮到210 kg/hm2，積累速率不再發(fā)生明顯變化，但達(dá)到最大生長速率的時間明顯提前。在施氮0～210 kg/hm2范圍內(nèi)，最大干物質(zhì)量和產(chǎn)量均隨著施氮量的增加而增大，施氮主要通過增加每平方米粒數(shù)來提高產(chǎn)量。在該地區(qū)施氮210 kg/hm2冬小麥可以獲得較高的干物質(zhì)量和產(chǎn)量。

3）產(chǎn)量、每平方米粒數(shù)均與干物質(zhì)積累過程的平均和最大速率呈顯著正相關(guān)，表明在該研究地區(qū)氮肥供應(yīng)狀況是限制小麥產(chǎn)量提升的主要因素。

本研究所得到的結(jié)論基于2年的大田試驗，需要進(jìn)一步加強(qiáng)在多年多站點的驗證。

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Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat

Son g Mingdan1,3, Li Zhengpeng1,3, Feng Hao1,2,3※
（1. Institute of Soil ɑnd Wɑter Conservɑtion, Northwest A＆F University, Yɑngling 712100， Chinɑ; 2. Institute of Soil ɑnd Wɑter Conservɑtion, Chinese Acɑdemy of Sciences ɑnd Ministry of Wɑter Resources, Yɑngling 712100, Chinɑ; 3. Institute of Wɑter Sɑving Agriculture in Arid Areɑs of Chinɑ, Northwest A＆F University， Yɑngling 712100， Chinɑ）

Abstract:Wheat yield formation is mainly dependent on dry matter accumulation， which is influenced by irrigation and nitrogen input. It will be very helpful for improving yield to understand how irrigation and nitrogen affect wheat dry matter accumulation. Field experiments over 2 years with three-level irrigation and four-level nitrogen input for winter wheat were conducted during 2012-2014 in Guanzhong Plain located in Shaanxi Province， China. Dry matter accumulation with growing degree day was fitted by Richards function， and 5 derived characteristic parameters were analyzed using the univariate analysis of variance （ANOVA） and the multivariate analysis of variance （MANOVA）， the result of which was more appropriate when there were significant correlations among dependent variables. None of the 5 derived characteristic parameters of dry matter accumulation was significantly influenced by the interaction of irrigation and nitrogen fertilization. None of irrigation， nitrogen and year had a significant effect on the function parameter b and c. Irrigation significantly prolonged the thermal time required for the entire dry matter accumulation process and then led to an increase of dry matter at maturity from 10 831 kg/hm2under rainfed condition to 13 813 kg/hm2with irrigation at wintering and jointing stages. Nitrogen fertilization significantly enhanced the average and maximum rate of dry matter accumulation， and shortened the thermal time achieving the maximum rate of dry matter accumulation since sowing. Dry matter at maturity significantly increased from 8 001 to 14 112 kg/hm2under the nitrogen input from 0 to 210 kg/hm2in this study. No more dry matter was gained from more nitrogen input. Weather conditions over 2 years had a significant effect on the thermal time entering the rapid growth stage and achieving the maximum growth rate since sowing， but had no significant effect on the maximum of dry matter. The effect of irrigation on yield and yield components varied with weather conditions in study period. Irrigation significantly increased the yield and the weight of 1 000 grains in 2012-2013， however， it had no significant effect on those in 2013-2014. The weight of 1 000 grains evolved from 35.8 under rainfed condition to 41.7 g with irrigation at wintering and jointing in 2012-2013， which resulted that the corresponding yield increased from 4.74 to 6.29 t/hm2. In 2013-2014， irrigation significantly enhanced the grain number per square meter from 13 833 under rainfed to 15 749 with irrigation at winter and jointing. Yield and grain number per square meter were significantly influenced by nitrogen， while nitrogen had no effect on the weight of 1 000 grains over 2 years. Grain number per square meter increased from 10 414 to 15 911 as nitrogen input increased from 0 to 210 kg/hm2， which contributed to the corresponding increase of yield from 4.42 to 6.96 t/hm2. No more yield and grain number were gained from more nitrogen input， which indicated the nitrogen rate of 210 kg/hm2would be sufficient for wheat growth and yield formation. The interaction of irrigation and nitrogen had no effect on yield and yield components during 2012-2014. The yield had a higher correlation with grain number per square meter than with the weight of 1 000 grains， which indicated that yield was largely determined by grain number. Both of yield and grain number per square meter had a strong correlation with the average and maximum rate of dry matter accumulation， which indicated improving the rate of dry matter accumulation would be a promising measure to raise yield in the future. This also indicated that nitrogen was the limited factor to wheat grain yield improvement in this study area. The results obtained in this research provide scientific basis and valuable information for selecting the optimum irrigation and nitrogen regimes in semi-arid regions of China.

Keywords:water content; nitrogen; crops; Richards function; yield components; interaction of water and nitrogen

通信作者：※馮浩，男，陜西延安人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為水土資源高效利用研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。Email：nercwsi@vip.sina.com

作者簡介：宋明丹，女，河北衡水人，博士生，主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100。

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2013AA102904）；中國科學(xué)院重點部署項目（KFZD-SW-306-1）；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃（111 計劃）資助項目（B12007）

收稿日期：2015-11-01

修訂日期：2015-12-15

中圖分類號：S512.1; S184

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0119-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018